胰島素樣生長(zhǎng)因子1與糖尿病視網(wǎng)膜病變關(guān)系的研究進(jìn)展

張浩 尚利曉 魏菁

(河南科技大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科 洛陽 471003)

在我國(guó)糖尿病患者中，糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)的患病率為23.0%～ 43.0%[1-2]。DR的患病率和糖尿病的病程密切相關(guān)，病程為5年內(nèi)的糖尿病患者DR的患病率為44.4%，7年后為56.0%[3]。1型和2型糖尿病患者致盲率分別為3.6%和1.6%[4]，并且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平日益提高，糖尿病的患病率也呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

治療高血糖是預(yù)防DR發(fā)生和進(jìn)展的主要方法，胰島素類似物是控制血糖水平的重要藥物。盡管血糖控制嚴(yán)格，但幾乎所有糖尿病患者都會(huì)發(fā)生DR。一項(xiàng)研究報(bào)告，高血糖對(duì)DR的進(jìn)展作用僅占11%，另外89%的風(fēng)險(xiǎn)屬于未知因素[5]。鑒別這些因素對(duì)于預(yù)防DR的發(fā)生和進(jìn)展非常重要，這些危險(xiǎn)因素之一就是生長(zhǎng)激素(growth hormone，GH)及其介體胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)。

有證據(jù)表明GH和IGF-1加速DR的進(jìn)展，第1個(gè)提出這種觀點(diǎn)的人是Poulsen，在1953年他報(bào)告了1例自發(fā)性垂體梗死后DR消退的病例[6]。臨床觀察顯示青春期DR進(jìn)展較快，盡管同樣的血糖控制水平，青春期受試者的DR進(jìn)展明顯高于青春期前的受試者[7]。一項(xiàng)持續(xù)12年的前瞻性研究[8]發(fā)現(xiàn)，GH缺乏的糖尿病侏儒沒有進(jìn)展為DR。另外一項(xiàng)臨床試驗(yàn)顯示，垂體消融術(shù)后DR可得到改善，這可能與垂體消融程度呈正相關(guān)[9]。并且生長(zhǎng)抑制素類似物奧曲肽已被證明可以延緩?fù)砥贒R的進(jìn)展[10]。以上研究表明GH與DR之間似乎有很強(qiáng)的關(guān)系，而IGF-1可以介導(dǎo)GH的許多作用[11]。

1 IGF-1的結(jié)構(gòu)及生物作用

1957年Salmonhe和Daughaday在研究GH的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)GH的促生長(zhǎng)作用是由另一類物質(zhì)所介導(dǎo)的，這類物質(zhì)具有不受抑制的胰島素樣作用及多重的促細(xì)胞增殖作用，其后來被命名為IGF-1[12]。IGF-1是由70個(gè)氨基酸組成的多肽，相對(duì)分子質(zhì)量為7 649 kDa，屬于生長(zhǎng)因子及其相關(guān)分子的IGF家族成員。IGF家族由3種配體(IGF-1、IGF-2和胰島素)、至少6種結(jié)合蛋白(IGFBP-1～6)和介導(dǎo)配體作用的細(xì)胞表面受體[IGF-1受體(IGF-1R)、胰島素受體及IGF-2甘露糖-6-磷酸(M6P)受體]組成[13]。GH和胰島素可增加IGF-1的表達(dá)，營(yíng)養(yǎng)不良和衰老可降低IGF-1的表達(dá)。

IGF-1的結(jié)構(gòu)有45 % 與胰島素相似，尤其是親水表面的部分相似性，使 IGF-1具有胰島素樣活性，能與胰島素競(jìng)爭(zhēng)胰島素受體的結(jié)合部位。IGF-1是機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的主效基因，人IGF-1基因由6個(gè)外顯子組成，位于12號(hào)染色體中，具有與肌肉性狀、身體組成和生長(zhǎng)性狀相關(guān)的位點(diǎn)[14]。IGF-1可在全身各處表達(dá)，血液中IGF-1大部分由肝臟合成，小部分由肝外組織合成，腎、結(jié)締組織、肺、胸腺、脾、心、骨骼肌、睪丸以及大腸中都能檢測(cè)到IGF-1的存在[15]。IGF-1通過酪氨酸激酶受體(IGF-1R)作用于多種細(xì)胞類型的生長(zhǎng)、分化和代謝。IGF-1雖然是GH促進(jìn)生長(zhǎng)和代謝的主要介質(zhì)，但它也具有與GH水平無關(guān)的自分泌和旁分泌效應(yīng)。事實(shí)上，在施行垂體切除術(shù)的大鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)IGF-1在包括視網(wǎng)膜在內(nèi)的多種組織中均有表達(dá)[16]。此外，GH還能產(chǎn)生由GH受體(GHR)介導(dǎo)的直接效應(yīng)，而不涉及IGF-1。這2方面的觀察表明，GH對(duì)生長(zhǎng)有直接和間接(通過IGF-1)作用，并強(qiáng)調(diào)了IGF-1的局部、自分泌或旁分泌作用。

體內(nèi)大部分IGF-1與IGF結(jié)合蛋白(IGF binding proteins，IGFBPs)結(jié)合，只有不到1%的IGF-1以游離形式存在?？赡苡坞x的IGF-1才具有生物活性，實(shí)際上，它是抑制垂體GH產(chǎn)生的主要因素[17]。迄今為止，已確認(rèn)6種主要的IGFBPs，并且已克隆和測(cè)序了它們的互補(bǔ)DNA。IGF-1對(duì)6種IGFBPs的親和力比對(duì)IGF-1R的親和力高5～50倍，因此，體內(nèi)平衡有利于IGF-1與IGFBPs的結(jié)合。在血清中，大部分IGF-1以相對(duì)分子質(zhì)量約為150 kDa的三元復(fù)合物形式存在。此復(fù)合物由IGF-1(γ亞基)結(jié)合IGFBP-3(β亞基)及不穩(wěn)定氨基酸亞基(ALS)(α亞基)組成[18]。IGFBPs主要在肝臟中合成，在IGF-1基本的生物活性的協(xié)調(diào)與調(diào)控中有4種主要功能：①在血漿中起轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用，并控制IGF-1從血管間隙流出；②延長(zhǎng)IGF-1的半衰期并調(diào)節(jié)其代謝清除率；③為組織和細(xì)胞提供特異性結(jié)合的位點(diǎn)；④通過直接調(diào)節(jié)IGF-1與其受體的相互作用，從而間接控制其生物效應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在某些情況下，IGFBPs抑制IGF-1R對(duì)IGF的刺激，而在其他條件下，它們可增強(qiáng)IGF-1R對(duì)IGF的刺激[19]。

2 IGF-1與DR

(1) IGF-1通過激活缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible facfor，HIF)增加眼中VEGF及促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)的表達(dá)。視網(wǎng)膜中很多細(xì)胞可以分泌IGF-1，如血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和視 網(wǎng) 膜 色 素 上 皮(retinal pigment epithelium，RPE)[20]。此外，多項(xiàng)體外研究表明，IGF-1R在人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞和RPE細(xì)胞的培養(yǎng)中也有表達(dá)，并且IGFBPs也可以由視網(wǎng)膜細(xì)胞合成的。IGF-1對(duì)IGF-1R的激活刺激HIF-1α蛋白質(zhì)合成并增加VEGF的表達(dá)，IGF-1參與了VEGF在人類RPE細(xì)胞中的活化[21]。VEGF是促進(jìn)新生毛細(xì)血管形成的重要因素。這些發(fā)現(xiàn)提示IGF-1/IGF-1R/IGFBPs復(fù)合物參與視網(wǎng)膜中發(fā)生的生理變化。事實(shí)上，在缺氧或血清饑餓的情況下，IGF-1在體外能延長(zhǎng)神經(jīng)視網(wǎng)膜細(xì)胞的存活時(shí)間[22]。此外，IGF-1(10 ng/mL)還保護(hù)人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞免受高血糖和血清饑餓誘導(dǎo)的凋亡[23]。在眼中，IGF-1R存在于許多細(xì)胞，并被一種IGF-1R拮抗劑所抑制，以阻斷IGF-1的作用，從而阻礙視網(wǎng)膜微血管改變的進(jìn)展[24-25]。與IGF-1對(duì)VEGF的作用一樣，IGF-1誘導(dǎo)HIF-1，導(dǎo)致其mRNA水平升高和EPO過量產(chǎn)生[26]，這個(gè)過程可能參與新生血管的進(jìn)展。IGF-1的生物學(xué)功能是作用于IGF-1R和磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)和幾種細(xì)胞內(nèi)激酶的活化，PI3K在誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖中起重要作用。IGF-1的有絲分裂作用是血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的主要原因。在這種情況下，使用重組IGF-1作為治療劑可能會(huì)導(dǎo)致糖尿病患者發(fā)生DR，IGF-1和IGF-1R參與增生型DR(proliferative DR，PDR)的發(fā)病機(jī)制或進(jìn)展[27]。

(2) IGF-1促進(jìn)糖尿病黃斑水腫(diabetic macular edema，DME)的產(chǎn)生。DME是糖尿病患者最常見的一種威脅視力的視網(wǎng)膜病變，每15個(gè)糖尿病患者中就有一個(gè)，在全球范圍內(nèi)有超過2 000萬例DME患者[28]。DME的主要結(jié)構(gòu)改變是血 - 視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)的破壞。糖尿病對(duì)幾種細(xì)胞間連接蛋白產(chǎn)生有害影響(例如閉鎖蛋白，緊密連接蛋白，ZO-1等)，導(dǎo)致高通透性和血管滲漏，VEGF是DME發(fā)病機(jī)制中所涉及的關(guān)鍵分子介質(zhì)之一[29]。VEGF通過經(jīng)典蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)介導(dǎo)的閉鎖蛋白磷酸化而破壞BRB，PKC通過內(nèi)吞過程誘導(dǎo)緊密連接的解體從而導(dǎo)致血管滲漏，引起黃斑水腫[30]。同時(shí)，高血糖下調(diào)IGF-1R利用的主要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件IRS-1，導(dǎo)致跨膜蛋白Src同源性2結(jié)構(gòu)域蛋白酪氨酸磷酸酶底物1(src homology 2 domaincontaining protein tyrosine phosphatase substrate1，SHPS-1)在IGF-1的作用下被酪氨酸磷酸化后異常激活促分裂素原活化激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)途徑。在高血糖時(shí)，IGF-I受體招募一種稱為CTK的激酶，使SHPS-1磷酸化，從而形成多組分信號(hào)復(fù)合物激活A(yù)KT和MAPK。在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，這就導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙、細(xì)胞間異常接觸、減少細(xì)胞連接蛋白、增加毛細(xì)血管滲漏引起黃斑水腫[31]。

(3) 應(yīng)用重組IGF-1治療糖尿病可加速DR的進(jìn)展。在糖尿病患者中，使用胰島素類似物或口服降血糖藥物治療是控制血糖水平的經(jīng)典療法。有一些試驗(yàn)性治療，把IGF-1應(yīng)用于極度胰島素抵抗或不敏感的患者。人們希望重組IGF-1治療可能是另一種降低血糖的方法，并能預(yù)防糖尿病的急性并發(fā)癥[32]。然而，IGF-1治療有明顯并發(fā)癥：球后視神經(jīng)水腫和頭痛。IGF-1另一個(gè)應(yīng)該慎重用于系統(tǒng)治療的原因是其具有有絲分裂效應(yīng)。由于IGF-1的治療，PDR的發(fā)病率很高。如今，許多研究已經(jīng)解釋了IGF-1在DR的發(fā)病機(jī)制中具有重要功能。長(zhǎng)期IGF-1治療可能通過促進(jìn)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞的增殖而加劇DR的惡化。此外，IGF-1還具有增加VEGF和EPO分泌的作用[33]。

通過將IGF-1與IGF-1R偶聯(lián)，可激活與DR相關(guān)的多種信號(hào)通路：PI3K /蛋白激酶B通路(PKB)，MAPK和核因子-κB信號(hào)傳導(dǎo)通路[34]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，玻璃體內(nèi)或眼內(nèi)注射IGF-1可加速視網(wǎng)膜和角膜新生血管的改變。在有DR的糖尿病患者中，已經(jīng)注意到玻璃體液中IGF-1水平增加[35]，這些研究顯示了IGF-1的有害活性。

(4) IGF-1在神經(jīng)視網(wǎng)膜的炎癥反應(yīng)中可能存在雙重作用。視網(wǎng)膜可以認(rèn)為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的延續(xù)，并且在視網(wǎng)膜中，神經(jīng)炎癥過程以與腦中類似的方式發(fā)生。事實(shí)上，視網(wǎng)膜和大腦由于其共同的神經(jīng)外胚層起源和前神經(jīng)管的衍生而具有相似性，因此，2種組織對(duì)促炎性損傷的反應(yīng)相似。基于此，可以想象將視網(wǎng)膜整合為大腦的一部分[36]。在糖尿病抗炎特性的病理過程中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的IGF-1/IGF-1R系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的抗炎作用，其機(jī)制是對(duì)抗下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞激活所觸發(fā)的炎癥環(huán)境[37]。然而，據(jù)報(bào)道IGF-1在其他病理環(huán)境中存在促炎作用，因此其抗炎作用存在爭(zhēng)議。最近有研究[38]表明，IGF-1在敲除Abcb4基因的小鼠(慢性膽管炎的臨床前模型)的肝星狀細(xì)胞中過表達(dá)，該研究的作者發(fā)現(xiàn)隨著促炎標(biāo)志物表達(dá)的增加和肝浸潤(rùn)巨噬細(xì)胞的存在，這些雙突變大鼠的纖維化過程更快。關(guān)于IGF-1在炎癥中作用的雙重性，最近對(duì)斑馬魚的一項(xiàng)研究[39]證明，IGF-1、胰島素及細(xì)胞活化因子在müller細(xì)胞的修復(fù)和視網(wǎng)膜損傷后再生的病理生理過程中有共同的通路。

(5) IGF-1表達(dá)水平隨衰老而降低。在衰老過程中，具有生物活性的IGF-1循環(huán)水平降低，這是一種與人類衰老及認(rèn)知下降有關(guān)的趨勢(shì)[40]。在視網(wǎng)膜中，已經(jīng)報(bào)道了關(guān)于IGF-1及IGF-1R水平對(duì)衰老相關(guān)退行性疾病的雙重作用。關(guān)于有害作用，老年糖尿病患者的PDR患病率低于相似糖尿病病程的年輕發(fā)病患者，這可能與老年患者IGF-1水平降低有關(guān)[37]。因此，老年糖尿病患者不太嚴(yán)格的血糖控制可能不會(huì)增加PDR的患病率。對(duì)于年輕的糖尿病患者，過早使用胰島素類似物控制血糖，可能會(huì)加速DR的發(fā)展。另一方面，用視網(wǎng)膜電圖和視網(wǎng)膜細(xì)胞選擇性標(biāo)記技術(shù)對(duì)缺乏IGF-1基因的小鼠進(jìn)行評(píng)價(jià)，證實(shí)了年齡因素加速了小鼠視覺功能的喪失并伴隨光感受器與其突觸后細(xì)胞之間的細(xì)胞接觸顯著減少，這可能與人類IGF-1缺乏和抵抗的病理生理學(xué)有關(guān)[41]。

(6) BRB的損傷是IGF-1加劇DR進(jìn)展的重要事件。神經(jīng)視網(wǎng)膜具有一個(gè)屏障系統(tǒng)，即BRB，這個(gè)系統(tǒng)由2部分組成：血-視網(wǎng)膜內(nèi)屏障由視網(wǎng)膜毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞間的閉合小帶及周細(xì)胞構(gòu)成；血-視網(wǎng)膜外屏障由視網(wǎng)膜色素上皮、Bruch膜、脈絡(luò)膜、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞間的閉合小帶構(gòu)成[42]。DR可以引起B(yǎng)RB的滲透性增加，發(fā)生視網(wǎng)膜水腫，導(dǎo)致視力下降；同時(shí)，BRB滲透性的增加將導(dǎo)致血漿成分(如脂質(zhì))滲漏到視網(wǎng)膜中。IGF-1與BRB破裂的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，眼內(nèi)高濃度的IGF-1由于其在視網(wǎng)膜中的過表達(dá)而增加了IGF-1R介導(dǎo)的信號(hào)，導(dǎo)致VEGF的積累、HIF-1的上調(diào)和骨髓源性小膠質(zhì)細(xì)胞的視網(wǎng)膜浸潤(rùn)?？傊?，這些改變?cè)黾恿藢?duì)低分子量化合物和高分子量化合物的血管通透性，并與血管致密結(jié)構(gòu)完整性的損失相關(guān)。相反，血清IGF-1長(zhǎng)期升高的小鼠未顯示視網(wǎng)膜血管結(jié)構(gòu)和滲透性的改變，表明循環(huán)IGF-1不會(huì)引發(fā)BRB破裂。重要的是，在具有顯著膠質(zhì)增生的患者視網(wǎng)膜中，檢測(cè)到IGF-1R的明顯上調(diào)，提示旨在抵消局部IGF-1效應(yīng)的治療干預(yù)措施可能成功預(yù)防BRB破裂以阻止DR的進(jìn)展[43]。

3 展望

IGF-1與DR的進(jìn)展關(guān)系密切，目前DR的治療主要有3種方式：激光、抗VEGF及手術(shù)治療。IGF-1作為促進(jìn)DR進(jìn)展的主要生長(zhǎng)因子——VEGF的上游因子，也許玻璃體腔注射抗IGF-1可以替代抗VEGF成為一種新的療法。糖尿病患者視網(wǎng)膜中的炎癥反應(yīng)是引起導(dǎo)致DR的機(jī)制之一，關(guān)于IGF-1在視網(wǎng)膜中炎癥反應(yīng)的作用，尚需進(jìn)一步的研究。生理含量的IGF-1促進(jìn)視網(wǎng)膜細(xì)胞的生長(zhǎng)與分裂，但眼內(nèi)過量的IGF-1會(huì)加劇DR進(jìn)展，這一過程會(huì)在BRB損傷后表現(xiàn)明顯。循環(huán)中的IGF-1含量與GH、胰島素的含量成正比，與營(yíng)養(yǎng)狀況、衰老程度成反比，與DR的階段無明顯相關(guān)，這點(diǎn)與Payne等[44]的臨床研究報(bào)道相符合。盡管IGF-1有可能加速體內(nèi)BRB受損后DR的進(jìn)展，但目前對(duì)于糖尿病患者，尚沒有替代胰島素類似物的治療方案。我們可以在治療上做一些改變，以減少胰島素類似物的潛在惡化效應(yīng)，例如建議在體內(nèi)BRB受損后應(yīng)謹(jǐn)慎使用胰島素類似物?？梢蚤_發(fā)新的IGF-1R的藥物拮抗劑，全身或玻璃體內(nèi)使用這些拮抗劑可能會(huì)阻止DR的進(jìn)展。

葡萄膜炎、脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜炎可以引起B(yǎng)RB的損傷，接受胰島素類似物治療的糖尿病患者也可能患有這些疾病。如病情允許，可在葡萄膜炎或脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜炎的活動(dòng)期使用口服抗糖尿病藥或?qū)GF-1R受體親和力更低的胰島素類似物治療。糖尿病患者在患有玻璃體視網(wǎng)膜交界面疾病可能會(huì)引起B(yǎng)RB損傷時(shí)，如玻璃體視網(wǎng)膜牽拉、黃斑前膜等，可以采取更加積極的治療，以免加劇DR的進(jìn)展。關(guān)于IGF-1或IGF-1R抑制劑能否用于DR的治療，尚需大量的臨床試驗(yàn)去驗(yàn)證其有效性與安全性。